新型电容传感器结构的设计new

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1、第23卷第3期辽宁师范大学学报(自捕科学版)Vo1．23No．32000年9月JournalolLiaoningNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Sep．2000文章编号：1000-1735(2000)03·0272·03④27新型电容传感器结构的设计；T刘丽娟(辽宁师范大学物理系．辽宁大连116029)摘要：提出了一种采用变间距差动式电容结构设计的电容压力传感器，并详细讨论了弹性体厚度舶理论计算和版图的设计．此种传感器是用来测量近海海水耀度和浪高．并由此得到潮汐的变化的．这种差动式结构是利用压力作用在可动电

2、扳上，在微机械加工的过程中．采用某种莲接，太大提高了传感器的灵敏度和测量精度．美键词：皇查壁盛芝t微机械加工；弹性体；曼教度中囤分类号TM934．2~TNT02文献标识码：A拘计1传感嚣的总体结构设计琵测量黻近年来．一些近海工程如海上平台、海岸建筑、养殖、造船等常常需要对海水深度、波浪及潮汐进行测量和预报，本文设计的传感器就是用来测量海水浪高的．总体设计思想是采用具有过载保护的变间距式的差动结构，。即将压力作用在可动电极上，在压力作用下改变它与两固定电极间的距离，引起电容值发生变化，一个值增大，另一个值减小．在后续的处理电路中将它们连接在电桥相邻两臂上

3、，传感器的结构如图1所示．2弹性体的设计我们设计中采用了中央加厚的岛膜结构

4、]]，由于岛的厚度远远大于膜的厚度，岛的刚度与其厚度的立方成正比，所以岛上剐度很大，故岛上极板处的挠度变化远小于感受压力的薄膜片上挠度的变化，可以近似认为在压力作用下，岛是向下平动的，且岛上不发生弯曲，也就是说岛上极板的各处挠度是相同的，均为最大挠度．2．1弹性膜厚的设计在压力作用下，膜板会发生变形，产生挠度和弯矩．用挠度表示的径向和切向的弯矩为2]；M—一D(+手)=一D(+孥)式中为挠度，y为泊松比，r为模板半径，D为弯曲刚度，其值D=，E为材料的杨式模量，h为膜厚·用挠度

5、表示的均匀厚板剪力：QtD[{_(r)]板的挠度应满足的平衡方程为：÷{rd．[1(r)])一p／D(p、D均为常数时)p为模板所受压力．由常微分方程理论可得一般解为：收稿日期：l999l2蛐作者简介刘丽娟(1966一)．女，辽宁黑山人、辽宁师范大学讲师，珥士第3期刘丽娟：新型电客传毒器姑构的设计273r4=c1+c2Inr+f3r+C4r2Inr-4-6p4f2、岛、“为待边界条件确定的常数．我们采用的岛型弹性元件，如忽略中央加厚部分的偏心影响，可模型化为受均匀压力的厚度变化为阶梯形的变化的薄板．它的力学模型为如图2所示．一Ch2,p上式对于具有均匀

6、厚度的每一段板式上都是适用的，只是在不同的厚度区应取不同的D值，因此可写成：tcr(r)=clnr+clnr+c+c+蔷o≤r≤r【叫)一日lnr+—lnr+一十日+r】≤r≤d其中D1：，D一在r一0处·挠度w和弯矩应有限，由此可知C=c一0，上式中其余六个参数由r=r处的弯矩M、剪力Q挠度及转角的连续条件及在r一处的边界条件即()=0，)一0决定．在r=r】处，厚度虽然变化，但剪力却是连续的Q(r1—0)=Q(r】+O)可推得：B=O这样可以得到五个方程，组成方程组：1naBa+粕。+一吉且+s一InriB1州oB+日c一c一64r"D一)~+一c

7、：等c击一一一zc十—zc+一。在本设计中n=2mm=1mm，hi=o．4mm，泊松比y=o．35，测海浪时户一150kPa，代入方程中，得到含有日、；、B、CnC4的五个方程，将h看成常数，解得c：4．6×10+塾旦王兰—旦+旦—兰二1—5C4———匾量一舯x=h2~在r一0处，"(O)=0．05mm，即C{=0．05mm，由此解出h2=0．094mm24辽宁师范大学学报(自端科学版)第23卷2．2传感器板图的设计根据以上的分析，该设计采用(1oo)晶面N型单晶硅，硅片本小为2ominX20mm·在其上制作四个传感器，即每个传感器使用硅片大小为10m

8、mX10mm，板图的主视图、切面图如图3所示·圈3传嘉器艟圈设计按此版图设计，计算出的测量浪高的传感器的电容初值为9．5pF．此结构的传感器测量浪高的范围为0～15m，初步测量精度为0．4％FS，基本接近进口的同类传感器，达到设计要求．参考文献[1]李听腴．维纯攘．宠世信．等高精度硅电容压力传感器的研究[J]．仪表技术与传感器t1996(i0)：7-10-[2]牛薄芳半导体传感器原理盈应用[M]．大连：大连理工大学出版社一1993165‘167·TheStructureDesignofaNewCapacitanceSensorLIULi-juan(De

9、partmeatofPhysicsrLiaoningNormalUniversity—Dali